許琛琦組揭示靜電作用介導Src家族激酶底物選擇性的分子機制

BioArt按：不同的抗原刺激會引起不同的T細胞抗原受體（TCR）磷酸化模式，從而引發特異性的免疫應答反應。闡明TCR的磷酸化機制因此是理解獲得性免疫為什麼具有特異性的關鍵所在。6月28日，中科院上海生化與細胞研究所許琛琦研究員課題組在PNAS雜誌上以長文形式（PNAS Plus）發表了題為「Ionic CD3?Lck interaction regulates the initiation of T-cell receptor signaling」的研究論文，該研究揭示了Src家族酪氨酸激酶Lck識別不同底物的新型分子機制，及其對T細胞信號起始的直接調控作用。

論文解讀：

T細胞活化依賴於細胞表面的T細胞抗原受體（T-cell receptor, TCR）。TCR可以識別「自我」和「非我」抗原，並根據抗原的特質引發特異性的下游信號通路，從而使得T細胞產生特異性分化並獲得不同的效應功能。TCR複合體有4種CD3信號鏈（CD3γ/δ/ε/ζ），共攜帶了20個酪氨酸磷酸化位點。不同的抗原刺激會引起不同的TCR磷酸化模式，從而引發特異性的免疫應答反應。闡明TCR的磷酸化機制因此是理解獲得性免疫為什麼具有特異性的關鍵所在。

為了探究這一科學問題，在許琛琦研究員的指導下，碩士研究生李倫乙、博士後郭興東、博士研究生施小山、碩士研究生李昌庭等人運用多種技術手段分析了Lck磷酸化四種CD3信號鏈的過程。他們發現Lck具有明顯的底物選擇性，即更傾向於攜帶正電荷的CD3e鏈。生物化學與生物物理的實驗發現Lck的Unique domain（UD）與CD3e鏈胞內區的鹼性氨基酸富集區（BRS）發生靜電相互作用，從而高效地介導了磷酸化過程。將BRS區替換到其他的CD3鏈後，Lck對它們的磷酸化水平明顯提高。接著，他們在293FT細胞中重構了整個TCR複合體及其磷酸化調控蛋白，該系統可以使得他們能夠排除下游信號反饋調控來獨立地研究TCR磷酸化事件。他們發現利用突變削弱CD3e-BRS/Lck-UD相互作用後，TCR複合體的整體磷酸化水平會明顯降低，說明了CD3e招募Lck對TCR磷酸化的起始非常關鍵（圖1）。

圖1：TCR磷酸化起始模型。A.靜息態的T細胞中，CD3e和CD3z鏈的胞內區通過靜電相互作用與細胞質膜內層的酸性磷脂結合，從而將這兩個胞內區屏蔽在膜中，其中包括酪氨酸磷酸化位點和負者招募Lck的BRS區。CD3d和g的胞內區雖然暴露在細胞質中，但是由於它們不能獨立招募Lck而難以被磷酸化。B.抗原（peptide MHC complex，pMHC）結合使得TCR發生形變，引發CD3e和CD3z鏈的胞內區從膜上解離。C.CD3eBRS區通過與Lck UD區的靜電相互作用來招募Lck。D.被招募的Lck磷酸化四條CD3鏈中的酪氨酸位點，從而激活T細胞中的下游信號通路。

許琛琦研究員的前期工作發現了CD3e的BRS區可以與細胞質膜的酸性磷脂相互作用，從而使得整個CD3e的胞內區被屏蔽在膜脂雙層中（Cell2008）。基於以上發現，這種膜屏蔽機制既屏蔽了CD3e的酪氨酸位點，同時也阻止其BRS區與Lck的相互作用，達到抑制TCR整體磷酸化的效果。在T細胞被抗原活化後，抗原結合引起TCR形變可能使得CD3e胞內區從膜上解離；或者鈣離子通過中和酸性磷脂負電荷的方式使得未直接接觸抗原的TCR中的CD3e胞內區從膜上解離（Nature2013）。不同親和力的抗原會引發不同程度的CD3e膜解離（Cell Res2017），因此會帶來不同的Lck招募程度和TCR的磷酸化程度。

該項研究工作闡明了TCR磷酸化起始的關鍵機制，同時揭示了Src家族酪氨酸激酶具有高度底物選擇性這一現象。由於Src家族在多種細胞類型中都發揮重要作用，該項工作的發現為理解其它細胞的信號轉導提供了新的線索。

該項工作得到了上海科技大學王皞鵬教授的大力幫助，並得到國家自然科學基金委、中國科學院先導B專項以及科技部的經費支持。該研究工作還得到國家蛋白質科學設施（上海）核磁共振系統，生化與細胞所細胞分析技術平台、分子生物學技術平台的大力支持。

參考文獻：

Li L, et al. (2017) Ionic CD3-Lck interaction regulates the initiation of T-cell receptor signaling.PNAS. Published online before print.

Xu C, et al. (2008) Regulation of T cell receptor activation by dynamic membrane binding of the CD3epsilon cytoplasmic tyrosine-based motif.Cell135(4):702-713.

Shi X, et al. (2013) Ca2+ regulates T-cell receptor activation by modulating the charge property of lipids.Nature493(7430):111-115.

Guo X, et al. (2017) Lipid-dependent conformational dynamics underlie the functional versatility of T-cell receptor.Cell Res27(4): 505-525

許琛琦研究員簡介

許琛琦，博士，現任中科院上海生化細胞研究所研究員，所長助理，國家「傑青」。長期從事分子免疫學研究，揭示了脂質分子對免疫應答的調控機制，並且發展了基於脂代謝調控的腫瘤免疫治療方法。發現細胞質膜中的酸性磷脂通過靜電相互作用屏蔽關鍵受體的功能位點，從而維持T細胞的靜息態；而鈣離子可以直接與酸性磷脂結合并中和其負電荷，引起受體活化，從而調控T細胞的活化態。這種脂質分子的調控機制也適用於B細胞和肺癌細胞。近年來開創性地開展了脂質代謝與腫瘤免疫的交叉研究，發現了腫瘤免疫治療的新靶點-膽固醇酯化酶ACAT1，並且證明了ACAT1抑制劑的抗腫瘤功能。以第一作者或通訊作者在Cell、Nature、Nature Review Immunology、J Exp Med、PNAS、Cell Research和Nature Communication等國際知名雜誌發表多篇學術論文。獲得中科院百人計劃（2010）、國家傑出青年基金（2014）、國家萬人計劃「青年拔尖人才」（2015）、全國優秀科技工作者、上海市優秀學術帶頭人、中科院青年科學家獎、上海市科學技術進步獎、上海青年科技英才、鄒承魯獎勵基金傑出研究論文獎、明治生命科學傑出獎等人才項目和榮譽。值得一提的是，許琛琦課題組和李伯良課題組合作完成的「基於膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法」項目入選中國科協2016年度「中國生命科學領域十大進展」和科技部「2016年度中國科學十大進展」，這個工作也入選了BioArt推出了「2016年中國生命科學十大進展」，詳見：BioArt推選出2016年度「中國生命科學十大進展」。

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